盾构机近距离侧穿初支状态下暗挖隧道施工技术研究

文章编号：１００９—４５３９（２０１７）０５—００２３—０４　・科技研究・　盾构机近距离侧穿初支状态下暗挖　隧道施工技术研究　曾恕辉　（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司湖北武汉４３００７４）　摘要：以郑州某标段盾构机在进洞过程中近距离侧穿暗挖初支隧道为背景，研究暗挖区间与盾构区间近距离之　间增设隔断桩＋土体变位跟踪分析施工技术。结果表明：该技术妥善解决了地面旋喷加固困难的问题，避免了盾　构机近距离平行侧穿暗挖初支隧道的风险，省略了地面开挖、进场设备旋喷加固、等待强度，施工协调、盾构停工等　一系列繁琐工序，确保了盾构机安全、快速的通过暗挖初支隧道，缩短盾构施工工期近２个月。同时，该技术获得　了业主及业内人士的高度评价，综合效益显著，也为类似地铁施工提供了借鉴和参考。　关键词：隔断桩土体变住跟踪初支暗挖隧道近距离侧穿盾构姿态控制　中图分类号：Ｕ４５５．４３　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９—４５３９．２０１７．０５．００５　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｓｈｉｅｌｄ　Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ　Ｓｉｄｅ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ　Ｃｌｏｓｅ　ｔｏ　Ｍｉｎｅｄ－ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　ａｔ　ｔｈｅ　Ｉｎｉｔｉａｌ　Ｓｔａｇｅ　Ｚｅｎｇ　Ｓｈｕｈｕｉ　（Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　１　１　Ｂｕｒｅａｕ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｉｔｙ　Ｒａｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ　Ｈｕｂｅｉ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｌｙｉｎｇ　ｏｎ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｏｆ　Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　ｍｅｔｒｏ　ｓｉｄｅ—ｃｒｏｓｓｉｎｇ　ｃｌｏｓｅ　ｔｏ　ａ　ｍｉｎｅｄ—　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｓｔａｇｅ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ａｄｄｉｎｇ　ｐａｒｔｉｔｉｏｎ　ｐｉｌｅ　ｐｌｕｓ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ａｎｄ　ｓｈｉｅｌｄ　ｉｎｔｅｒｖａｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｃｏｕｌｄ　ｐｒｏｐｅｄｙ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｂｙ　ｊｅｔ—ｒｇｏｕｔｅｄ　ｐｉｌｅ，ａｖｏｉｄ　ｔｈｅ　ｉｒｓｋ　ｏｆ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｓｉｄｅ—ｃｒｏｓｓｉｎｇ　ｃｌｏｓｅ　ｔｏ　ａ　ｍｉｎｅｄ－ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｓｔａｇｅ，ａｎｄ　ｓｋｉｐ　ａ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｏｆ　ｔｅｄｉｏｕｓ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｇｒｏｕｎｄ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，印一　ｐｒｏａｃｈ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｒｅｉｆｎｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｂｙ　ｊｅｔ—ｒｇｏｕｔｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ，ｗａｉｔｉｎｇ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｈｉｅｌｄ　ｓｔｏｐｐａｇｅ．Ｉｔ　ｃｏｕｌｄ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓｈｉｅｌｄ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ｐａｓｓｉｎｇ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉｌａ　ｍｉｎｅｄ－ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎ　ａ　ｓａｆｅｔｙ　ｍａｎｎｅｒ，ｓｈｏｒｔｅｎ　ｔｈｅ　ｓｈｉｅｌｄ　ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｎｅａｒｌｙ　ｔｗｏ　ｍｏｎｔｈｓ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ｈｉｇｈｌｙ　ｐｒａｉｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｏｗｎｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｄｕｓ—　ｔｒｙ，ａｎｄ　ｙｉｅｌｄｅｄ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｂｅｎｅｆｉｔｓ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｓｅｒｖｅｄ　ａｓ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｓｕｂｗａｙ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐａｒｔｉｔｉｏｎ　ｐｉｌｅ；ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ａｔ　ｔｈｅ　ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ　ｏｆ　ｍｉｎｅｄ－ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ；ｓｉｄｅ—ｃｒｏｓｓｉｎｇ　ａｔ　ｓｈｏｒｔ　ｒａｎｇｅ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｓｈｉｅｌｄ　ｍａｃｈｉｎｅ　ａｔｔｉｔｕｄｅ　１　前言　区域，盾构近距离侧穿风险很大。在盾构始发端该　地层端头加固前进行旋喷桩试桩试验显示成桩效　郑州地铁某标段靠近西流湖，水位较高，流动　果很差，存在半桩、夹沙、断桩等缺陷，传统旋喷桩　性强，受大气降水影响明显。地面为重型车辆行走　加固工艺下的端头加固效果难以保证，暗挖段未采　取加固措施¨　。　收稿日期：２０１７—０３—０８　基金项目：中铁十一局集团城市轨道工程有限公司科技研究开发计　盾构机在进洞过程中近距离侧穿暗挖初支隧　划项目（２０１６—１３－４）　作者简介：曾恕辉（１９７６一），男，高级工程师，主要从事地铁工程技术　道，存在较大安全风险。其原因主要是在复杂地质　研究。　条件下，因土质问题引起端头加固质量难以保障，　铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹ　ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２０１　７（ｏ５）　２３　・科技研究・　受力不均可能引起初支暗挖隧道变形、盾构隧道位　移甚至地面下陷等重大安全风险。目前国内还无　成熟的技术能够完全规避该风　进行研究。　。因此，需对　盾构机近距离侧穿初支状态下暗挖隧道施工技术　２盾构机近距离侧穿初支状态下暗挖隧道　施工技术原理　２．１　隔断桩技术　采用钢筋混凝土桩插入隧道底６　１ＴＩ至地面，沿　３．２操作要点　３．２．１　隔断桩施工　图１　暗挖隧道与盾构隧道平面关系　两隧道平行（竖向、横向）近距离５　ｍ内布置，使之　在两隧道之问形成一堵隔墙。盾构掘进过程中隔　墙能确保两隧道间土体不过度流失；盾构机较大推　力直接传递给围护桩隔墙再缓冲减缓后传递给初　支暗挖隧道，能有效降低初支暗挖隧道的位移或　变形。　根据本工程的地质特点，钻孔灌注桩采用旋挖　式钻机钻孔，泥浆护壁，泥浆和石碴采用运输车辆　运弃，吊车起吊安装钢筋笼，采用导管灌筑水下混　凝土。　施工前先平整场地，保证设备站位平整、稳固，　确保点位中心，桩身不得侵入两隧道结构。　钻孔桩钻孔顺序采用跳钻方法，如特殊情况不能　整排隔断桩相当于一堵隔墙，它是高强度钢筋　混凝土取代该地层的柔性土体形成的一种刚性墙　体，具有很好的稳定性和抗变形能力，且具高强度　的特性。　跳钻时，要求其相邻桩灌筑混凝土达到设计强度的　７５％后方可进行。钻孔桩施工过程中，采用每施工一　根桩，间隔２根桩再施工下一根桩的跳钻法施工　。　２．２土体变位跟踪技术　原状土在自然状态下土压力是平衡状态，土体　内部结构均处于原始状态，再受到外部应力作用　后，初始土压力平衡将产生破坏，则土体需形成新　的土压力平衡，土体结构同时也将发生不同程度变　形、变位。土体变位是通过活动式测斜仪监测地层　内已预埋测斜管变形，测斜管变形直观地反应周围　３．２．２初支暗挖隧道保护　盾构侧穿期问停止开挖，喷射混凝土封闭掌子　面；已开挖部位及时封闭成环，开挖段保证隧道下　部土层原封不动，上台阶施作锁脚锚杆控制好角　度，以与钢架成４５。夹角向下打设。　暗挖隧道与盾构隧道相交会段进行洞内加固，　范围为２０　ｎｌ，里程为ＲＤＫ０＋１７４一ＲＤＫ０＋１９４，上　台阶架设横向、竖向支撑，横撑间距按１　ｍ／道架设。　土体变化，再结合地面沉降、暗挖初支隧道洞内水　平位移、收敛变化形成的数据综合分析，随时调整　盾构掘进、暗挖隧道开挖支护参数，使两近距离隧　道安全顺利地通过。　当盾构机盾尾通过暗挖隧道加固段后，暗挖隧　道才可恢复施工；盾构隧道与暗挖隧道相交会时，　加强暗挖隧道洞内监测，监测数据及时反馈至盾构　施工。　３　主要施工技术及操作要点　３．１施工准备　３．２．３测斜管布设　（１）进行施工图纸交底，现场放样确定两隧道边　线。两隧道之间增设一排￣８００＠１　２００　ｍｍ钢筋混凝　土隔断桩，桩长从地面至隧道底６　Ｉｎ，共长２２　ｉｎ。　（２）混凝土满足以下条件：Ｃ３５混凝土，３　ｄ强　度达到６０％，无侧限不小于抗压强度１．１　ＭＰａ。暗　挖隧道与盾构隧道平面关系如图１所示。　２４　铁道建筑技术为了解盾构掘进期间，盾构隧道与暗挖隧道之　间土体变化情况，在二者之间沿隧道轴线方向布设　３个测斜孔，孔深均为２６　ｍ，土体孔深大于围护体深　５～１０　ｍ，计算时假定管底为不动点。　掌握盾构掘进所引起的暗挖隧道变形，暗挖隧　道洞内收敛断面间距为３．５　ＩＴＩ，监测频率根据实时　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２０１　７（０５）　・科技研究・　掘进进度进行加密观测。暗挖隧道收敛每断面共　孔，采用双液注浆泵对管片上方土体进行注浆加　布设４点２条测线，使用莱卡ＴＳ１１全站仪采取ａ、　固，并且每隔１Ｏ环封闭一圈（实际中由于掘进与空　ｂ、ｃ、ｄ相对坐标计算其收敛测线长，测斜布设如图２　间的限制需２～３环范围内封闭成环），阻止盾尾　所示，收敛测点布设如图３所示。　来水。　３．２．６土体变位跟踪　盾构侧穿初支暗挖隧道土体变位监测内容有：　地表沉降，盾构掘进不同时段沉降、收敛监测、土体　测斜。　（１）地表沉降分析　本次区间里程ＤＫ８＋８５９．６８９一ＤＫ８＋９５１．３９８　图２测　（右线０—６０环）为右线盾构近距离侧穿暗挖隧道　３．２．４地表监测　段，根据实时测试数据分析，因土层损失和土层固　通过监测，掌握盾构　结沉降引起地沉降量为一１０—３５　１／＂１１１１左右，０～３５　过暗挖隧道期间周边土体　环位于施工场区内，相对累计沉降量较大，最大累　及结构的动态变化，预测　计值为一７４．３０　ｍｍ，沉降原因除施工沉降之外主要　变形发展趋势，及时对其　是地表活动荷载（施工机械）所致，标准段地表无荷　安全性做出评估；同时综　载情况下，最大累计沉降为一２１．００　ｍｍ（４０环）。　合各种信息进行预警和报　（２）盾构掘进对暗挖隧道影响分析　警，使有关各方及时做出　图３收敛测点布设　三个测斜孔与对应暗挖隧道内收敛组成三组　反应，防止事故的发生。　测试断面，根据三个断面测斜孔与收敛变化值实时　３．２．５盾构掘进参数控制　调整盾构掘进推力，其他掘进参数不变。　掘进控制是盾构顺利通过暗挖隧道的关键，杜　①盾构机刀盘抵达测斜孔ＴＸ．０１前ｌ　ｍ左右。　绝在通过该区域时停机。尽量减少盾构施工过程　测斜孔向盾构方向最大累计位移量为３．４３　ｍｍ，孔深　１．０　１１１处，向暗挖方向位移主要在孔深１１～１６　ｍ处，　中的地层变形是一个有效手段，其关键在于通过控　最大累计位移量为１　ｍｍ；此时对应暗挖隧道内上下　制盾构掘进参数和注浆参数来减少对地层扰动和　收敛测线累计值分别为一１．１７　ｍｍ、一５．９４　ｍｍ；刀盘　地层损失。　通过测试断面时，测斜孔向暗挖方向最大累计位移　根据公式计算和相关技术要求，注浆量应保证　量为７．２　ｍｍ，深度１３　ＩＤ＇，此时对应暗挖隧道收敛明　环形间隙理论容积的１．３～２．５倍左右，最终数据以　显突变，上下测线收敛日变量分别为一２．２　ｍｍ、　过暗挖隧道前盾构掘进的总结经验数据确定，为了　一５．１　ｍｍ，其累计值为一５．１８　ｍｍ、一１５．３０　ｍｍ，数　保证掘进中能按上述要求完全注入，采用自动同步　据距表明盾构施工对暗挖隧道变形影响较大了，需　注浆和人工管片壁后注浆双重手段　－１２］。　对暗挖隧道内变形较大位置进行注浆等加固措施。　为弥补同步注浆的不足以及同步注浆凝结收　通过ＴＸ－０１测试断面时盾构推力为１２　０００　ｋＮ时，　缩造成的地层空隙，进一步控制好地层沉降，采用　为更有效控制盾构掘进对暗挖隧道影响，对盾构掘　管片背后二次注浆作为补充。二次注浆采用双液　进参数进行调整，将盾构推力调整为１０　０００　ｋＮ。　浆，注浆参数：注浆浆液浓度：水泥浆水灰比为０．８：１，　②盾构参数调整后，刀盘抵达ＴＸ．０２前１．０　ｍ　水波璃浓度为２Ｏ一２５波美度，水泥浆和水玻璃的体　左右；向盾构方向最大位移量为１．０　ｍｍ，向暗挖最　积比为２：１，初凝时间４０　ｓ左右。注浆终压：０．４～　大累计位移量为０．９０　ｍｍ；对应暗挖隧道收敛上下　０．５　ＭＰａ。在盾尾后１Ｏ一１２环上方１２０度范围以　测线累计变化量为一１．２　ｍｍ、一３．５　ｍｍ；刀盘抵达　内，利用管片上方三个吊装孔及预先埋设好的注浆　及通过期间，测斜孔向暗挖方向最大累计位移量为　铁道建笳技术ＲＡＩＬＷＡＹ　ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２０１７ｌ０５ｌ　２５　・科技研究・　挖隧道内变形较大，盾构推力小于９　０００　ｋＮ时，盾　３．５　ｍｍ，深度１４　ｍ，此时对应暗挖隧道收敛明显减小，　上下测线收敛日变量分别为一１．０２　ｍｍ、一２．２４　ｍｍ，其　累计值为一３．３　ｍｍ、一１２．２４　ｍｍ，后续观测数据均　较小。构与暗挖隧道间土体向暗挖方向位移甚小，暗挖隧　道内收敛明显减小。　４结亩语　由此可知，影响暗挖隧道变形的主要因素之一　是盾构推力。将盾构参数再次调整，将盾构推力调　整为９　０００　ｋＮ。　一　通过研究增设隔断桩＋土体变位跟踪施工技　术，盾构、暗挖都顺利、安全提前按节点实现了贯　③盾构参数再次调整后，盾构刀盘抵达ｒｒＸ．０３前；　测斜孔向暗挖隧道方向变形微小，对应收敛变形相对　减小；上下测线最大累计变形量分别为一１．１２　ｍｍ、　一通。该技术避免了地面开挖、进场设备旋喷加固、　等待强度，施工协调、盾构停工等一系列繁琐工　序；另外通过监测数据指导现场作业施工，动态调　整施工参数，保证了盾构机安全、快速通过风险　２．９　ｍｍ；刀盘通过期间，测斜均是想盾构方向位移，　对应收敛最大日变量分别一０．７４　ｍｍ、一１．２７　ｍｍ，其　累计值为一３．１０　ｍｍ、一１０．１２　ｍｍ。　以上数据可以，实时调整掘进参数可有效控制盾　源，无需担心隧道坍塌、移位风险，有利于控制周　边沉降，避免了对周边环境的影响，环保效益和社　会效益明显。　构掘进对暗挖隧道的影响。三组测试段测斜孔上均　是上部向盾构隧道位移、下部向暗挖隧道位移，上部　…～．　丐ｘ陬　主要原因是盾体脱出管片，管片与周围土体形成环形　间隙，土层缺失所致，于其对应地表沉降相对应，下部　主要原因是盾构掘进期间盾构推力所致。　（３）土体变位的分析总结　①隔断桩的设置对两隧道周边的土体起到了　免了土体过度变化引起的坍塌，隧道　１穸奇　陋。　［１］王长虹，柳伟．盾构隧道施工对地表沉降及临近建筑物　的影响［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１１（２）：３９—４２．　［２］魏纲，叶琦，虞兴福・杭州地铁盾构隧道掘进对建筑物　影响的实测分析［Ｊ］・现代隧道技术，２０　５（３）：２９—３３・　［　］胡利平・浅埋暗挖地铁隧道施工对既有运营道路的影　［４］　，１６（３）１４构，２０：－１８．）筑物的保护技术［Ｊｊ．隧　道建设２００６（２）：６３—６６．　②盾构掘进过程中，其隧道轴线横向沉降影响范　围主要分为主要影响区和次要影响区，主要区域在距　隧道轴线两侧３　ｍ范围内（为盾构隧道轮廓边线），施　Ｅ５］张凤祥，朱合华，傅德明．盾构隧道［Ｍ］．北京：人民交　，通出版社，２００４：１８９—１９２．　工沉降最大累计值为一３５　ｒｍ左右，此范围内沉降槽　［６］竺维彬鞠世健复合地层中的盾构施工技术［Ｍ］．北　京：中国科学技术出版社，２００６：２０—７４．　体积约占到总体积的６０％～７０％，及是沉降发生的最　大区域，次要影响区在距主要位于距隧道轴线３～　１０　１３３范围内，占到总体积的３０％～４０％。　［７］施仲衡．地下铁道设计与施工［Ｍ］．西安：陕西科技出　版社，１９９７：１７８—１８０．　［８］　任福松，金建俊．地铁施工中的盾构机姿态控制研究　③前期地表沉降量约占总沉降量的５％～１５％；　盾构通过时的地表沉降约占总沉降量的２０％～３５％；　盾构机通过后的地表沉降约占总沉降的２０％～　…・交通标准化，２００９（１７）：１３４—１３６・　［９］　李正青・武汉市地铁６号线一期工程钟家村站～琴台　站盾构隧道工程盾构法复合地层条件下穿京广铁路　４５％，沉降的速率也较快，后期沉降量约占总沉降量　的５％～２５％。　篓　？数研究与应用　］・城市建筑，２叭　Ｉｊ），：　６一ｊＵ．　［１０］　．大跨度超浅埋暗挖隧道下穿城市主干道施１：　．④暗挖隧道收敛在盾构刀盘抵达及通期问变　形量为最大阶段，变形量占总变形量２４％～４４％，　刀盘通过后变形量相对较小，占总变形量７％～　１８％，后续变形甚小，占总变形量１％～２％。　技术［Ｊ］，铁道建筑技术，２０１４（１１）：４４—４６．　［１１］刘建航候学渊．ＮＮＮＮＮ［Ｍ］．北京：中国铁道出　版社１９９１：１６５—１６９．　，［１２　３杨冬．盾构切割素混凝土过暗挖隧道下穿既有线施工　⑤盾构推力大于９　０００　ｋＮ时，因推力较大，暗　２６　铁道建簏技术技术…．铁道建筑技术，２０１４（９）：２４—２６．　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２０１　７　ｆ０５　Ｊ